日前，位于重慶經(jīng)開區(qū)的重慶氣體壓縮機廠有限責任公司（以下簡稱“重慶氣體壓縮機廠”）傳來好消息，該公司研發(fā)的全球首臺套70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機成功投產(chǎn)，是目前全球壓力最高、單機流量最大的撬裝增壓機組。
▲圖為70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機。（受訪者供圖）
▲圖為70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機。（受訪者供圖）
據(jù)了解，天然氣壓縮機廣泛應用于國家大型儲氣庫建設(shè)、油田注氣驅(qū)油增產(chǎn)、新型儲能及天然氣開采集輸?shù)阮I(lǐng)域，是保障國家能源安全的“國之重器”。
“可以說，70MPa大排量高轉(zhuǎn)速壓縮機在國內(nèi)外都處于技術(shù)空白狀態(tài)，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需突破的瓶頸。”重慶氣體壓縮機廠副總工程師王躍飛告訴記者，經(jīng)過2年多的攻關(guān)研發(fā)，終于在行業(yè)取得關(guān)鍵性突破。
那么，重慶氣體壓縮機廠究竟是如何啃下這塊硬骨頭的？
來自數(shù)千公里外的“燃眉之急”
時間的指針撥回到2022年3月。彼時，某油田專家考察組來重慶走訪，專程來到重慶氣體壓縮機廠調(diào)研座談。
“有沒有可能研發(fā)國產(chǎn)70MPa大排量高轉(zhuǎn)速壓縮機，解決深井油田開采的燃眉之急？”某油田相關(guān)負責人這句看似簡單的話，卻引發(fā)了座談會現(xiàn)場不小的討論。
事實上，對于這位領(lǐng)導所說的“燃眉之急”，重慶氣體壓縮機廠的每一位參會人員都心領(lǐng)神會。
因為，長期以來，中國大部分油田所使用的高壓大排量高轉(zhuǎn)速壓縮機都依賴從國外進口，不僅價格昂貴，且交付周期長。如果再遭遇一些不確定因素，壓縮機的交付就更遙遙無期。
此前，國內(nèi)普遍進口的大排量機組最高排氣壓力為52MPa，流量為25萬方/天，但是排氣壓力無法滿足超深井注氣需求。
而小排量機組最高壓力雖有70MPa，但流量僅為5萬方/天，對于一個1億立方米的油井而言，需要同時使用多臺設(shè)備才能滿足需求，存在投資大、占地廣、易損件多、運維工作量大、維護成本高等問題，成為長期困擾油田提升采油效率和收益的最大攔路虎。
很快，這場會議上引發(fā)的討論就轉(zhuǎn)換成了重慶氣體壓縮機廠的行動。
“經(jīng)過一個月反復調(diào)研、反復論證，我們決定集中優(yōu)勢力量集中攻關(guān)，啃下這塊卡住我國能源安全的硬骨頭。”王躍飛表示。
15個“最強大腦”造出“超級打氣筒”
說干就干！2022年，重慶氣體壓縮機廠一個由15位科研精英組成的研發(fā)團隊正式“上線”。
“天然氣壓縮機的工作原理，可以簡單理解為一個打氣筒，通過活塞往返運動，把氣體注入油井，實現(xiàn)石油和天然氣的采集。”王躍飛介紹，而高壓大流量天然氣壓縮機就像是一個“超級打氣筒”。
不過，想要研發(fā)出滿足超深井采油采氣所需的“超級打氣筒”并不容易。
首先，就是要將這個打氣筒的氣壓從52MPa提升至70MPa。但如何既能保證氣筒里的活塞在如此高的壓力下既能靈活運動，又不發(fā)生氣體泄漏？這是一個難點。
“為此，團隊發(fā)明了氣缸與活塞之間高達70MPa密封壓差的往復動密封技術(shù)，利用卸荷槽平衡部分氣體壓力，減少活塞環(huán)對氣缸鏡面摩擦、磨損。”王躍飛分析，同時，壓縮機還采用組合式活塞環(huán)組，提升氣缸的密封效果。
此外，在70MPa的高壓下，原有技術(shù)規(guī)范只適用于小直徑的“氣筒”，當“氣筒”的直徑擴大至原來的4倍時，常規(guī)技術(shù)標準就失去了參考意義。
瞄準這個難題，研發(fā)團隊基于結(jié)構(gòu)強度與流場分析優(yōu)化了高壓氣缸結(jié)構(gòu)及流道設(shè)計，根據(jù)模擬結(jié)果選擇疲勞性能優(yōu)良的缸體材料，最后通過特殊熱處理工藝達到表面性能要求，成功突破大直徑氣缸研發(fā)的重要關(guān)口。
經(jīng)過2年多的技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)工作進入尾聲。原本以為解決了高壓密封性和大直徑氣缸兩大核心研發(fā)問題，大排量高轉(zhuǎn)速壓縮機的成功已經(jīng)觸手可及。
沒想到，在隨后的廠內(nèi)試驗以及現(xiàn)場安裝環(huán)節(jié)中，機組管道振動過大的新問題又擺在了眼前。
“天然氣壓縮機各部件之間是通過管道相連的，在高壓的活塞運動中，不可避免會帶來管道振動。”王躍飛分析，如果振動過于劇烈，不僅會導致螺栓連接脫落等安全隱患，甚至連機組都無法正常開機運轉(zhuǎn)。
針對新問題，研發(fā)團隊進行了大量氣流脈動試驗，最終提出了壓力大于35MPa部分管道的氣流脈動及管道振動控制準則。該項技術(shù)屬國內(nèi)首創(chuàng)，達到國際先進水平。
或?qū)⒅χ貞c天然氣“銀行”擴容
歷經(jīng)2年多的研發(fā)生產(chǎn)，2024年4月，這個全球首臺套70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機成功應用在某油田，有效解決天然氣輸氣過程中氣量變化大、撬裝化要求高等難題，有力助推我國超深井注氣驅(qū)油、輸氣作業(yè)。
事實上，除了應用于油田注氣驅(qū)油增產(chǎn)，高壓大排量天然氣壓縮機還將在國家大型儲氣庫建設(shè)、新型儲能等領(lǐng)域大展身手。
比如，助力地下儲氣庫的建設(shè)，就是一個典型案例。
所謂地下儲氣庫，就是將天然氣增壓注入地層的縫隙中儲存，在需要供氣時，進行采集、脫水，最后輸入天然氣管網(wǎng)，被稱為天然氣“銀行”。目前，我國已建成25座地下儲氣庫，儲氣庫容達400億立方米，調(diào)峰保供惠及10余個?。ㄊ校?、2億人口。
特別是對于重慶而言，重慶地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、氣藏蓋層好，密封性比較好，天然氣不易泄漏，正大力修建地下儲氣庫。當前，已建成相國寺儲氣庫，還將修建銅鑼峽、明月峽、萬順場、沙坪場、寨溝灣等5個儲氣庫項目。未來，重慶儲氣庫群預計將累計形成工作氣量77.7億立方米，可滿足2億多人口3個多月的生活用氣。
“隨著高壓大流量天然氣壓縮機的投產(chǎn)成功，或?qū)⒅χ貞c天然氣‘銀行’加速擴容。”王躍飛舉例說，比如現(xiàn)在儲氣庫使用的天然氣壓縮機普遍在20MPa左右，如果提升至70MPa，僅一個地下儲氣庫的天然氣儲量就是原來的3.5倍，不僅將緩解川渝地區(qū)冬季天然氣供需矛盾，還將助力全國“西氣東輸”網(wǎng)管的有效調(diào)度。
王躍飛分析，得益于國產(chǎn)高壓大流量天然氣壓縮機技術(shù)的領(lǐng)先、價格的實惠以及后期維護的便捷，可以預見，天然氣增壓輸送領(lǐng)域大量裝備進口替代的進程將加速到來，市場前景看好。
